電工電子技術(shù)課程設(shè)計教學(xué)研究與實踐

摘要：以積極心理學(xué)基本理論為指導(dǎo)，對我院開設(shè)課程《電工電子技術(shù)課程設(shè)計》的教學(xué)內(nèi)容和方法進行了初步的探索和實踐。實踐證明，指導(dǎo)教師和學(xué)生都從中獲益良多，達到了雙贏的效果.

項目資助信息：

本論文為“北京聯(lián)合大學(xué)人才強校計劃人才資助項目”成果.

關(guān)鍵詞：正向心理學(xué)，電工電子技術(shù)，課程設(shè)計，正向激勵

當前，高等教育質(zhì)量問題，高校畢業(yè)生的綜合素質(zhì)水平、就業(yè)競爭力等問題受到社會和高校的普遍重視。各級各類高校都在積極進行教育教學(xué)改革，探索有效的教學(xué)方法和模式，以期培養(yǎng)出更具有創(chuàng)新精神、實踐動手能力強和更具有發(fā)展后勁的高素質(zhì)應(yīng)用性人才。本文以正向心理學(xué)基本理論為指導(dǎo)，對我院開設(shè)課程《電工電子技術(shù)課程設(shè)計》的教學(xué)內(nèi)容和方法進行了積極的探索和實踐并取得了可喜的成效。

一、積極心理學(xué)對學(xué)生培養(yǎng)的啟示

積極心理學(xué)，是由美國前心理學(xué)會主席塞利格曼發(fā)起和推動的一個心理學(xué)研究新領(lǐng)域。它提倡研究積極的人格特質(zhì)，把增進個體的積極體驗和培養(yǎng)個體的自尊作為培養(yǎng)個體積極人格的最主要途徑。它促使一個人具有良好的情緒，表現(xiàn)為熱愛生活，珍愛生命，具有強烈的責任感、堅強的意志和不竭的前進動力。而這種良好的情緒不僅有助于人們深入、細致地觀察，促進記憶、激發(fā)想象、活躍思維，而且能夠增強操作的準確性和精確性，提高操作的效率和增強人們的創(chuàng)造力。

增強個體的積極情緒體驗是積極心理學(xué)研究的主要內(nèi)容。積極心理學(xué)認為增進個體的積極情緒體驗是發(fā)展個體積極人格、積極力量和積極品質(zhì)的一條最有效的途徑。對于積極情緒，積極心理學(xué)家B.L.Fredrick提出了著名的“拓展-構(gòu)建”理論。該理論認為積極情緒具有拓展并構(gòu)建個體即時的思想或行為作用，也就是為即時的思想和行為提供充足的資源，例如使個體在當時的情景條件下反應(yīng)更準確、認知更全面、思維的創(chuàng)造性更活躍等。在擴建即時資源的基礎(chǔ)上，積極情緒還能幫助個體建立起長遠的、有利于個人未來發(fā)展的資源。同時，積極情緒體驗中的個體能更全面認識自己面臨的任務(wù)，從而保證個體在特定情境中能做出最有效的反應(yīng)。

二、電工電子技術(shù)課程設(shè)計改革必要性

本課程是我院交通工程專業(yè)的學(xué)科大類必修課程。對現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)環(huán)節(jié)，通過對典型課題的分析、設(shè)計及實際調(diào)試，使學(xué)生鞏固電工電子技術(shù)的基本知識與概念；通過學(xué)習(xí)現(xiàn)代電子器件的應(yīng)用與設(shè)計方法，使學(xué)生在實際動手操作能力方面得到鍛煉，增強創(chuàng)新意識。

該課程傳統(tǒng)的教授模式基本上都是由教師提供一個工作量和難度適中的指導(dǎo)書，由學(xué)生按照指導(dǎo)書中的方法和步驟，循序漸進地完成設(shè)計。這種教學(xué)方式的不足體現(xiàn)在如下方面：

1、教學(xué)形式單一、死板，學(xué)生就像機器一樣機械地操作，使最后的設(shè)計成果幾乎千篇一律。

2、由于有完整的指導(dǎo)書，使學(xué)生在學(xué)習(xí)和操作過程中出現(xiàn)問題的幾率以及問題類型的多樣性減少，不利于學(xué)生分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)。

3、同樣由于設(shè)計指導(dǎo)書的存在，使學(xué)生只是被動地參與到課程設(shè)計的過程中，獨立思考時間減少，幾乎沒有獨立發(fā)揮想象力的空間，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的鍛煉和培養(yǎng)。

4、未必每個學(xué)生對指導(dǎo)書中的項目都感興趣，如果學(xué)生遇到不感興趣的主題，會極大地影響其學(xué)習(xí)和參與的主觀積極性和能動性，自然課程設(shè)計的結(jié)果也就好不到哪去了。

可見這種教學(xué)方法沒有充分考慮學(xué)生基礎(chǔ)和接受能力以及學(xué)習(xí)興趣的差異等關(guān)鍵因素，導(dǎo)致基礎(chǔ)差的學(xué)生跟不上進度，而基礎(chǔ)好的學(xué)生又缺少足夠的發(fā)展空間。

三、積極心理學(xué)指導(dǎo)下電工電子技術(shù)課程設(shè)計改革實踐

根據(jù)我院的大綱要求，本課程設(shè)計主要針對EDA設(shè)計進行。積極心理學(xué)強調(diào)在教學(xué)中要增強學(xué)生的積極情緒體驗，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，讓學(xué)生把求知當作一種享受和挑戰(zhàn)。為此作者根據(jù)多年授課經(jīng)驗和該門課程特點，設(shè)計了如下一些關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)。

1、學(xué)習(xí)、理解環(huán)節(jié)——注重學(xué)生自學(xué)能力培養(yǎng)

首先介紹EDA技術(shù)及可編程邏輯器件的工作原理，幫助學(xué)生建立EDA設(shè)計流程和FPGA編程下載的概念。為了使學(xué)生有切身體驗，體會利用 EDA設(shè)計軟件進行設(shè)計、編輯、綜合、編譯和仿真等環(huán)節(jié)，特地為學(xué)生制作了自學(xué)講義：“原理圖輸入設(shè)計——Quartus II 軟件應(yīng)用初步”，下發(fā)到每位學(xué)生手中，讓學(xué)生自己按照講義內(nèi)容一步一步操作完成一個2-4譯碼器的設(shè)計和仿真。

之所以讓學(xué)生自學(xué)這部分內(nèi)容，主要是考慮到對特定軟件的學(xué)習(xí)，之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過C語言等編程知識，而且在現(xiàn)代的信息化時代，學(xué)生對于計算機相關(guān)知識的掌握速度和能力遠遠超過了老師，只要方法得當，他們很快就會掌握要領(lǐng)。再者也考慮到了學(xué)生的差異性，給予他們一定的自由度，使得每個學(xué)生都可以按照自己的進度學(xué)習(xí)，讓每位學(xué)生都有所收獲。

事實也證明這種方法是可行的，有些同學(xué)掌握非常快，而且興趣盎然，一完成馬上向老師報告，當?shù)玫浇處煹谋頁P和肯定后更是以極大的熱情投入到了下一個環(huán)節(jié)中去；而對于進展較慢的同學(xué)來講，希望他們把基礎(chǔ)打扎實，而不是一味求快，這時老師的態(tài)度非常關(guān)鍵，一定要給予他們正向的評價和鼓勵，肯定他們付出的努力和取得的進展，使他們愿意克服困難繼續(xù)前行。

2、掌握、應(yīng)用環(huán)節(jié)——照貓畫虎

通過對2-4譯碼器的設(shè)計和仿真，學(xué)生已經(jīng)對如何利用原理圖進行設(shè)計和仿真有了一個初步的體驗，接著讓學(xué)生自己設(shè)計一個3-8線譯碼器。學(xué)生要完成該任務(wù)，必須把上一任務(wù)的原理和操作步驟理解吃透，這無形中又鞏固和消化了所學(xué)知識。

這一過程中，學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的才能，教師在指導(dǎo)中如發(fā)現(xiàn)某個學(xué)生遇到的問題和先前其他學(xué)生的問題相同時，會直接找前面的同學(xué)來進行解答。這樣一方面給指導(dǎo)教師騰出了時間去解決更棘手的問題，另一方面也給學(xué)生提供了一個展示自我，總結(jié)歸納自己所學(xué)知識的機會，而同學(xué)之間的交流和溝通也更加順暢，整個實驗室氣氛非常活躍。

接下來通過引導(dǎo)學(xué)生完成一個三人表決器設(shè)計并生成一個元件，引入層次化設(shè)計和可重用元件的概念。接著給學(xué)生布置獨立完成的任務(wù)：通過層次化設(shè)計方法，利用自己生成的半加器元件設(shè)計一個全加器。從而全面理解和掌握層次化設(shè)計的概念和方法。

3、初級應(yīng)用進階——VHDL語言設(shè)計

原理圖設(shè)計法雖然直觀清楚，但對于復(fù)雜系統(tǒng)來講，還是需要利用VHDL語言來完成。因此掌握VHDL語言設(shè)計的基本原則和方法，也是學(xué)生必備的技能之一。

其中首要任務(wù)就是對VHDL語言語法規(guī)則的掌握。這一環(huán)節(jié)我仍然采用了學(xué)生利用講義自己練習(xí)的方法，在講義中，根據(jù)不同的語句特地安排了不同的例題進行有針對性的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。例如，通過用VHDL語言描述一個2輸入與非門，了解一個完整VHDL程序的基本結(jié)構(gòu)和組成；通過設(shè)計加法器，了解信號與變量的概念；通過8-3線優(yōu)先編碼器設(shè)計，學(xué)會使用CASE語句；通過設(shè)計奇偶校驗器，掌握LOOP語句的使用；通過設(shè)計比較器，學(xué)會使用NEXT和EXIT語句。

通過大量的實例練習(xí)，學(xué)生很快掌握了VHDL語言設(shè)計的基本規(guī)則和語法要領(lǐng)。特別是我在講義中人為設(shè)置了多處語法和邏輯錯誤，讓學(xué)生自行找出并排除，這一過程極大促進了學(xué)生對VHDL語法規(guī)則的深刻理解和掌握，也很好的鍛煉了學(xué)生自己分析故障排除錯誤的能力，使他們充分體會到馬虎粗心帶來的時間和精力成本，意識到細心對完成設(shè)計的重要性。

學(xué)生互相幫助，通過互查找到了大部分錯誤，同時五花八門的錯誤類型也極大地豐富了我的經(jīng)驗，對于我來講，也是難得的學(xué)習(xí)提高機會。

4、實戰(zhàn)篇——熟悉開發(fā)系統(tǒng)，讓自己的程序動起來

如果說前面的訓(xùn)練還局限于紙上談兵，則這部分練習(xí)就是從虛幻走向現(xiàn)實，夢想實現(xiàn)的關(guān)鍵一步。這里采用我校實訓(xùn)基地實驗室提供的GW-48系列SOPC/EDA開發(fā)系統(tǒng)。首先提供一個簡單實例——十進制計數(shù)器設(shè)計，完成VHDL文本輸入設(shè)計-工程創(chuàng)建-綜合分析-仿真分析-生成RTL電路-引腳鎖定-編程下載-實物展示的完整設(shè)計流程。學(xué)生真切的看到了一個設(shè)計程序如何下載到芯片中，使開發(fā)系統(tǒng)變成一個實際的十進制計數(shù)器的過程。而學(xué)生對EDA最感興趣和神奇之處，也就在于設(shè)計什么樣的程序下載，就能使芯片變成什么樣的器件。可以是一個頻率計，也可以成為一個秒表。這極大的調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

在好奇心的驅(qū)使下，學(xué)生反復(fù)演示和對照開發(fā)系統(tǒng)的各部分硬件組成，完成對開發(fā)系統(tǒng)的熟悉和了解。之后還可以提供一些典型單元電路的設(shè)計，如七段數(shù)碼管顯示、按鍵輸入、2N分頻器等，讓學(xué)生自己完成引腳鎖定和編程下載，為后續(xù)完整的獨立設(shè)計奠定基礎(chǔ)。這一過程中給學(xué)生以持續(xù)的、正向的激勵非常重要，可以促使他們克服恐懼和畏難情緒。

5、小試牛刀——秀出自我

至此學(xué)生已基本掌握開發(fā)一個完整系統(tǒng)的所有關(guān)鍵技能和知識，后續(xù)任務(wù)是通過一個簡單但完整的設(shè)計案例向?qū)W生介紹從設(shè)計選題、方案論證到完成設(shè)計驗證、寫出設(shè)計報告的FPGA設(shè)計的全過程。最后提供若干不同的設(shè)計題目讓學(xué)生自由選擇，比較典型的題目有：頻率計、數(shù)字鐘、密碼鎖、交通燈控制器及彩燈控制器設(shè)計等。

學(xué)生選題自由度較大，能力較強且自信的學(xué)生可以單獨一人一題，獨立完成；不太自信或能力較差的學(xué)生可以自由組團，3-4人一組共同完成，每人根據(jù)自己的長項完成設(shè)計的一部分，不擅長的項目或模塊可通過小組合作，請其他同學(xué)幫助完成，但要在最后的報告中明確表明自己完成的部分。這一做法有效避免了抄襲和因任務(wù)太過艱巨而使學(xué)生喪失動力和信心的情況發(fā)生，最大程度保護了學(xué)生的激情和接受挑戰(zhàn)的勇氣。

6、追求卓越——更上一層樓

上一過程的每個題目都按難易程度分層給出，有基本功能和附加功能。對于能力較強又積極進取的學(xué)生來說，會自覺完成所有設(shè)計，實現(xiàn)所有功能，比如呂某同學(xué)，表現(xiàn)非常出色；而對于另一部分學(xué)生來講，悟性很高，能較快且較好完成基本功能，但自己不會主動完成附加功能，這時我就會對他們進行一些積極的引導(dǎo)和鼓勵，促使他們接受更大的挑戰(zhàn)，而且大部分同學(xué)在鼓勵下還是很樂意做到更好，比如薛某就是典型代表；當然也有個別同學(xué)，只滿足于完成基本功能，任你怎么說，就是不動，說自己不會也不愿意學(xué)，指導(dǎo)教師也就只好放棄。

整個教學(xué)過程通過教師精心組織和實施，教師并不事無巨細地告訴學(xué)生如何去做，而是以答疑為主。學(xué)生遇到問題不是簡單地幫助其排除，而是提出產(chǎn)生故障的各種可能，由學(xué)生自行排除，鼓勵學(xué)生提問和發(fā)表不同見解.設(shè)計驗收采用提問和討論方式檢查學(xué)生對知識的掌握程度，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中將理論和實踐真正結(jié)合起來，為以后的工作打下堅實的基礎(chǔ)。

四、結(jié)束語

在教學(xué)過程中通過上述嘗試和探索，得到一些啟示和收獲：

1、盡可能多提供不同的設(shè)計題目，讓學(xué)生有更多機會選擇真正感興趣并愿為之付出辛苦和努力去完成的題目。同時題目也應(yīng)有一定實用性和先進性，學(xué)生完成后真正有所收獲。教師也需要長期和深厚的積累，并隨時關(guān)注業(yè)界最新技術(shù)動態(tài)，及時、恰當?shù)膶⑵湟胝n程設(shè)計的任務(wù)規(guī)劃和安排中。

2、讓學(xué)生深刻地理解原理。只有理解原理才能有效進行模塊劃分，同時學(xué)生完成設(shè)計的過程中才能減少困惑和盲目，目標更加清晰，而且從中習(xí)得的知識和技能才更容易內(nèi)化為自己的綜合實力。對每個課設(shè)題目，都鼓勵學(xué)生從不同途徑尋找和獲得與課題相關(guān)的各種文獻資料，從而達到對課題原理和背景知識的全方位和透徹理解。

3、充分利用實驗室的現(xiàn)有設(shè)備，保證給定題目可在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上完成，而且每個題目都分層次、循序漸進提出任務(wù)要求，以滿足不同能力和水平的學(xué)生。既照顧能力較差的學(xué)生，使他們能完成設(shè)計，同時通過一個個小目標的完成，學(xué)生也更易獲得成就感和保持持久的興趣和激情繼續(xù)完成下一目標。

4、題目的內(nèi)容和難度要適當，保證大多學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)可以完成，同時照顧到學(xué)有余力的學(xué)生，給學(xué)生留有發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力的空間，也鼓勵學(xué)生自己尋找感興趣的題目去做。

5、教師要積極參與到學(xué)生的設(shè)計中。這是一個教學(xué)相長的過程，教師參與學(xué)生設(shè)計，能更全面和真實了解學(xué)生的水平和遇到的問題，提供更有效的指導(dǎo)；反之，了解不同學(xué)生在不同設(shè)計題目中遇到的問題，又極大的豐富了教師的經(jīng)驗，在幫助學(xué)生解決各類問題的過程本身也是對教師一個極好的鍛煉。就作者本人來講，通過多年的教學(xué)實踐，感覺在幫助學(xué)生解決問題的同時，自己也收獲頗深。

參考文獻：

[1]唐海波，郭鋒.積極心理學(xué)思想對學(xué)生創(chuàng)造力培養(yǎng)的啟示[J].創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育，2011（1）.

[2]游少萍.正向心理學(xué)視角下大學(xué)生正面情緒培養(yǎng)研究[J].山西大同大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，Vol.29（4）.

[3]練益群.在數(shù)字電路教學(xué)中引入EDA勢在必行[J].浙江廣播電視高等專科學(xué)校學(xué)報，2002（2）.

[4]方飛，謝麗春.EDA設(shè)計性實驗課教學(xué)研究——數(shù)字鐘的設(shè)計[J].曲靖師范學(xué)院學(xué)報，2005，Vol.24（6）.

[5]惠為君.EDA設(shè)計教學(xué)研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備.2009（8）上.

作者信息：

楊曉玲，女，工學(xué)博士，2012年赴美訪問學(xué)者，北京聯(lián)合大學(xué)自動化學(xué)院副教授。